一种自偏置CMOS电流模式积分器电路设计

 近年来，电流模式电路在模拟信号处理中受到了广泛的关注，与传统的电压模式电路相比，电流模式电路具有速度高、频带宽、电源电压低和功耗小等特点。第二代电流传输器(CCII)就是典型的电流模式电路的代表。第二代电流传输器作为最基本、最重要的积木块被广泛应用在通信系统电子电路、有源滤波器、模拟信号处理、A／D和D／A转换器等许多方面。

RC积分器在集成电路系统中有重要的作用，经常运用于滤波器、信号发生器和各种控制电路中。模拟积分器的电路结构中多用运算放大器，由于级间电容和分布电容的客观存在，此类电路的工作速度不可能很高，工作电压及功耗也不可能很低。

电流传输器以电流作为输入、输出及信息传输的主要参数，工作速度很高(SR>2 000 V／μs)，而电源电压很低(可达到1．5 V)，具有动态范围宽、非线性失真小、温度稳定性好、抗干扰和噪声能力强等优点。
笔者介绍了一种基于CMOS第二代电流传输器(CCII)的电流模式积分器电路，其中的CCII模块具有自偏置、宽带、低功耗、电流和电压的传输误差小等优点，该电路的有较大的电流输入范围。

1 电路描述

1．1 第二代电流传输器模型

CCII是一个三端口的有源器件，拓扑结构如图1所示，它确保了端口的两大功能性：

1)Y和X端口间的电压跟随；
2)X和Z端口间的电流跟随。

CCII的输入输出特性可用下列矩阵方程描述：

在理想情况下，α=1和β=1分别代表电流传输器的电流和电压传输增益。

1．2 CMOS CCII电路的设计

本文采用的是标准CMOS技术的低压、宽带、轨对轨、自偏置CCII电路，如图2所示。

由于输入电压由MOS管的栅极输入，所以该电路具有很高的输入阻抗。该电路主要包括4个部分：
1)轨到轨输入级：包含两个差分对，其中一个是以NMOS管(M1和M2)为输入对管，其正向共模输入范围很大，可以达到正电源，另一个是以PMOS管(M3和M4)为输入对管，其负向共模能力很强，可以达到负电源。
2)缓冲级：是通过源随器M13和M14来实现的，作用是为了提高X端的电压跟随能力同时保证在X端有低阻抗。
3)电流镜：基本电流镜M11和M12是将M13的电流复制到M12流入Z端，M15和M18是将M14的电流复制到Z端。另外，两个电流镜M5、M6和M7、M8分别构成差分输入电路的有源负载。

4)偏置电路：M17～M20为MOS分压电阻，通过电流镜M17和M10给NMOS差对提供尾电流，电流镜M20和M9给PMOS差分对提供尾电流，整个电路从而不需加额外的偏置源。考虑到集成电路的隔离工艺，本电路中所有PMOS的衬底接VDD，所有NMOS的衬底接VSS。

电源电压为±1．65 V，当在Y端输入为高电平时，n型差分对M1和M2工作，由于MOS管的栅极不汲取电流，则有iY=0。设在Y端有小信号输入，产生的漏极电流通过电流镜M6和M5镜像到M2，即有，iD1=iD5，iD5=iD6，可得iD6=iD2=iD1。设图中M1、M2、M5、M6均工作在饱和状态，两个差分对的器件参数完全对称，由晶体管饱和区的漏极电流


1．3 电流积分器结构

由CCII和RC构成的电流积分器如图3所示。

假设电容C初始电压为零，根据CCII端口特性得到：

在对数坐标下，电流增益与输入信号频率成线性关系。

2 电路仿真

为了验证电路的性质，对上述电路进行Hspice模拟仿真。仿真参数采用0．18μm CMOS工艺参数。

2．1 CCH电路仿真

图2中各MOS管的尺寸如表1所示。图中电源电压VDD=1．65 V，VSS=-1．65 V。

图4和图5分别为CCII的电压跟随和电流跟随特性。由图可见，电压跟随的线性范围为-1．04～1．15 V，电流跟随的线性范围为-9．02～6．66 mA。

在X端加幅值为100 μA的正弦交流信号时，在曲线较平坦的范围内满足ix／iz=1．0022，-3 dB带宽为1．6 GHz，Z端输出电流IZ跟随IX交流传输频域特性曲线如图6所示。


2．2 电流积分器输出结果

按图3连接积分器电路，其中R=10 kΩ，C=10 nF。

当Ii输入频率为1 kHz、幅度为10μA的方波电流信号时，则输出信号I0如图7所示。

当Ii输入频率为1 kHz、幅度为10μA的正弦波电流信号时，则输出信号I0如图8所示。

积分器的频率特性如图9所示。可以看出，输出信号的幅度以20 dB／decade的斜率下降，在低于3 MHz的频段上保持在90°。


3 结论

文中介绍了一种基于电流传输器的电流模式积分器，讨论了积分器中电流传输器的传输特性，应用Hspice软件对其进行了仿真，结果表明：积分器的电流传输器模块的电压跟随的线性范围为-1．04～1．15 V，电流跟随的线性范围为-9．02～6．66 mA；该积分器能够对方波和正弦波进行积分，也就验证了电路的正确性；同时对积分器的频率特性进行了分析，输出信号的幅度以20 dB／decade的斜率下降，而相位在低于3 MHz的频段上保持在90°。这一积分器能应用于滤波器、信号发生器等各种电流模式电路中。